CN104838457A - 用于传导式冷却的、有空隙的、高透磁率的磁性组件的线轴设计 - Google Patents

Abstract

提供一线圈形成器，在本申请中也称为线轴，用于含有气隙的传导式冷却的磁性组件。所公开的线轴的直径增大，且创建肋/花键或翼片以保持绕组以芯中心柱为中心环绕，同时允许导热硅胶基或其等效物密封剂填充线圈形成器和芯之间的空隙，该线圈形成器、绕组、和/或二者取决于定位翼片的放置。所公开的线轴可由传统的注塑树脂或高导热性的树脂制成。所公开的线轴设计增大了可实现的功率密度，同时维持了可接受的温度。

Description

用于传导式冷却的、有空隙的、高透磁率的磁性组件的线轴设计

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月5日提交的美国临时专利申请61/733831的申请日权益，其内容通过引用纳入本申请。

背景技术

于2003年7月8日提交的美国专利公开号2004/0036568公开了由在受热状态下仅有轻微形变的耐热塑料树脂所形成的线圈线轴。所公开的线圈线轴包括磁线绕其卷绕的芯外壳。磁芯包括两个磁芯区段。芯外壳的内表面包括芯间隔机构，该芯间隔机构控制插入在芯外壳内的磁芯的位置。

发明内容

提供一线圈形成器(在本申请中也称为线轴)，用于含有气隙的传导式冷却的磁性组件。所公开的线轴的直径增大，且创建肋/花键或翼片以保持绕组以磁芯中心柱为中心，同时允许以导热硅胶或其等价物为基础的密封剂填充线圈形成器和芯之间的空隙，该线圈形成器、绕组和/或二者取决于定位翼片的放置。所公开的线轴可由传统的注塑树脂或高导热性的树脂制成。由于所公开的线轴设计，增大了可实现的功率密度，同时维持了可接受的温度。

通过参考说明书的其余部分和附图，可实现对本发明的性质和优点的进一步理解。

附图说明

图1示出了具有绕组的示例性线轴的正视图。

图2示出了图1所示的具有芯部分的线轴的俯视图。

图3示出了图1所示的线轴的正视图。

图4示出了图3所示的线轴的截面图。

图5A示出了示例性磁性组件的俯视图，该磁性组件的线轴具有外部间隔件和内部间隔件。

图5B示出了图5A中的磁性组件的俯视图，该磁性组件的线轴具有向内间隔件。

图5C示出了图5A中的磁性组件的俯视图，该磁性组件的线轴具有向外间隔件。

图5D示出了图5A中的磁性组件的俯视图，该磁性组件的线轴具有由部件连接的同心柱形壁。

图5E示出了图5A中的磁性组件的俯视图，该磁性组件的线轴具有波浪形部件。

图6示出了磁性组件的横截面和用于密封材料的注射针。

图7示出了方法的示例性流程图。

具体实施方式

提供一线圈形成器(在本申请中也称为线轴)，用于传导式冷却的磁性组件。该磁性组件在高透磁率的路径上有气隙，这在有空隙的铁氧体电感器和变压器中是常见的。当绕组被隔开远离包含一个强磁场/磁通密度的区域时，总绕组损失减小，而且高透磁率的路径上的气隙产生强磁场。气隙仅被放置在中心腿部以包含磁场，但却很难从所述芯和中心绕组中将热散出。绕组和芯之间的间隔加大，以减少功率损失，而该间隔用于传导冷却。新线轴的直径增大，且创建肋/花键或翼片以保持绕组以芯中心柱为中心环绕，同时允许以导热硅胶或其等价物为基础的密封剂填充从绕组到线轴以及从线轴到芯的空隙。现有的线轴不提供线轴和芯之间的通道以用于密封，从而允许气泡在该区域发展。

在一些实施方式中，根据本发明的线轴设计允许导入密封剂以填充线圈形成器和芯之间的期望空间，该线圈形成器、绕组和/或二者取决于定位翼片的放置。该线圈形成器可由传统的注塑树脂或高导热性树脂制成，比如热填充LCP，PPS树脂(即2-20W/mK)，以获得期望的热路径。由于所公开的线轴设计，增大了功率磁性组件的可实现功率密度，因为在更小的空间里可以处理更大的功率，同时在组件系统内维持可接受的温度。

在一些实施方式中，本设计的附加优点包括(i)因为更多的表面区域引导密封剂的传导性冷却，芯的应力减小了；(ii)因为密封工艺可能不需要真空或压力，易于组装；(iii)增加将密封剂暴露于周围空气和大气压力的表面积以适应密封剂的CTE(热膨胀系数)。可能存在有利于保持密封剂远离绕组的较高温度的情形，以满足针对UL和其他认证的密封剂的RTI。

注意，鉴于与螺线制造相关的困难，使线轴具有中心对准的翼片(如部分附图所示)将会是有益的。取决于需要额外冷却的区域，还可以使用垂直花键。使用特氟龙(Teflon)挤压或硅胶线绝缘系统允许线轴壁和翼片定位器的更大灵活性，同时仍满足UL或同等材料的热规范。

在一些实施方式中，本发明解决了如何对功率磁性组件进行散热并同时增大其总功率密度的问题。在优选实施方式中，所开发的设计使用用于充电器的隔离变压器设计，该充电器为在150-300kHz之间工作的3.7kW LLC谐振变换器。用于该变换器的隔离变压器需要具备稳定的磁化电感，作为谐振槽的一部分，该谐振槽由使用具有空隙的高透磁率功率铁氧体材料而完成。

优选地，通过将绕组间隔远离空隙以减少绕组损失，该空隙本身导致较低的绕组损失。本发明通过硅胶密封剂或等效物利用该空间以传导冷却所述绕组和芯，从而增大组件的可实现功率密度。

图1示出了具有绕组102的示例性线轴100的正视图。线轴配置用于传导式冷却的磁性组件，比如变压器或谐振电感器，并至少将磁性组件的一条腿(将在下文举例说明)插入中心腔104。在一些实施方式中，磁性部件的一个或多个实例可以包括在电动车辆的功率电子组件内，比如在其充电器组件内。例如，电动车辆的车载充电器可以有三套这样的磁性组件，其中每个磁性组件包括一个变压器和一个谐振电感器。

线轴110可由导热材料制成。在一些实施方式中，芯中所产生的热(比如，由相对的芯腿部之间的空隙内的边缘场所导致的)可从芯中心导出并进入线轴材料内。在芯腿部之间的空隙内可以提供密封材料以形成针对该热的热通路。这样的密封材料可以接触导热线轴。例如，该线轴可由提供数倍于标准塑料材料的热导率的树脂制成。导热线轴可将所生成的热排斥到其他地方，比如进入周围环境或进入散热器。

在该示例中，线轴的内表面106被示出为基本上平滑的柱形表面。在一些实施方式中，在线轴内部可以提供一个或多个间隔件。其中，彼此互补且位于腔体外部的结构108被配置为以抵靠芯腿部的方式充当间隔件。

特征110可用作将线轴安装(可选地，在将磁芯部分装配在该线轴之后)进容器或其他包围件(未示出)，比如铝壳。例如，两个E-形的芯部分可一起安装，这样其各自的腿部互相抵靠(或形成预定的空隙)。作为另一个例子，可以使用U-形的芯。此外，特征112还可以用于安装作为磁性组件的电连接的一部分的针和/或端子。

绕组102包括在成品磁性设备的运行中将会涉及的一个或多个导线层。例如，该绕组可以包括一个或多个与初级或次级绕组对应的绕组区段，或可以包括单个绕组。

图2示出了图1所示的具有芯部分200的线轴100的俯视图。也就是说，线轴和芯部分现已组装作为磁性组件的制造过程的一部分。芯部分是由磁性材料(例如，陶瓷基体中的铁氧体)，并包括一个或多个芯腿。芯部可以包括左腿202A，中心腿202B和右腿202C。这里，中心腿具有圆形轮廓，并且另外两个腿基本上是矩形。此后，在装配中，可以添加相对的芯部，作为对已示出芯部的补充。

中间腿200B和线轴100的表面之间形成一个间隙202，其可部分或完全地填充有密封剂材料。例如，这样的材料可以是热传导性硅胶基化合物，其在注射阶段(即，磁性组件在制备过程中)是液体，且后来凝固或固化成固相。例如，该凝固可以随着时间的推移而发生，或由于温度的升高(比如在烤箱中)而触发。

图3示出了图1中的线轴100的正视图。此处，为清晰起见，未示出线轴的绕组以及芯部。在本实施例中，线轴是单壁的，并在其外表面具有间隔件300，在其内表面具有间隔件302。间隔件300可以用于创建线轴与绕组之间的间隙；即，绕线将围绕线轴被缠绕到间隔件300上。间隔件302可以用于创建线轴和芯的中心腿之间的间隙；即，间隔件确保中心腿不直接接触线轴。

这样产生的空间可以用于一个或多个目的。例如，空间可提供一个或多个通道用于插入密封材料，它可以用作热路径以从磁性组件的中心移除热量。作为另一个例子，该空间可以提供绕组和芯腿之间的间隙之间的分隔；这种分隔可降低绕组损耗。

在图示的例子中，针304被安装在线轴100上。

图4示出了图3所示的线轴的截面图。线轴的外表面400被构造成具有一个或多个形成在其上或附着于其上的外间隔件。为清楚起见，未示出该外间隔件。内表面402具有在其上形成或附着其上的间隔件302。此处，内间隔件基本上是线性的，且基本上在芯中心腿将被插入的方向上延伸。

一些内间隔件，与其他內隔件相比，可具有不同的定向或具有不同的长度或尺寸。例如，这里内间隔件302A被构造成抵靠密封件404(例如，O形环)，而内间隔件302B被配置为创建一个邻近密封件的开口406。例如，这样的开口有助于提供热通路，因为它们有助于密封材料流入磁性部件的各个区域。在组装过程中，密封件可以被安装在中心芯腿上，并且当该腿被插入在线轴的腔体中时，较长间隔件(即，间隔件302A)有助于将密封件放置在正确的位置。换言之，间隔件302A和密封件之间的接触可确保线轴相对于芯的正确位置。

即，在线轴(内侧和/或外侧)附近可提供间隔，并且这种间隔然后可以部分或完全填充有密封剂材料。间隔可以以任何的各种方式被创建，如下文所即将描述的。图5A示出了示例性磁性组件500的俯视图，该磁性组件的线轴502具有外部间隔件504和内部间隔件506。在这些示意图中，磁性组件是在正被制造的过程中，但还没有准备好作为磁性组件来使用。该线轴包围磁芯中心腿508并被绕组510所包围。该种实现和类似实现的特征在于它们允许密封材料位于芯和绕组二者的附近。这样，所述实现可用于冷却芯和绕组二者。

内部和/或外部间隔件可以以不同方式定向。例如，所述间隔件可以是基本上线性的，或弧形的。在一些实施方式中，间隔件504和/或506可彼此在一个或多个方向错开。

图5B示出了图5A中的磁性组件500的俯视图，该磁性组件的线轴512具有向内间隔件514。即，相邻的间隔件形成用于密封材料的通道，并且在这些通道的每个中，材料可以与芯接触，并且从而传导在芯内产生的热。该种实现和类似实现的特征在于向芯比向绕组提供相对更多的冷却。一个或多个间隔件可以是基本上线性的或弧形，和/或间隔件可以彼此在一个或多个方向错开。

图5C示出了图5A中的磁性组件500的俯视图，该磁性组件的线轴516具有向外间隔件518。这里，由间隔件形成的通道允许密封材料接触绕组的内部，并且该种实现和类似实现的特征在于向绕组比向芯提供相对更多的冷却。

图5D示出了图5A中的磁性组件500的俯视图，该磁性组件的线轴520具有由部件526连接的同心柱形壁522和524。

图5E示出了图5A中的磁性组件500的俯视图，该磁性组件的线轴528具有波浪形部件530。该线轴可以具有柱形壁。例如，该波浪形部件可以附着到内壁和/或外壁。

图6示出了磁性组件600的横截面和用于密封材料的注射针602。线轴604将用于支撑组件的绕组和用于将绕组与芯隔开，并且为简单起见，在此省略绕组。当密封材料正在被注入到组件的内部时磁性组件目前正处于制造过程阶段。尤其地，该组件具有由上芯部606A和下芯部606B组成的芯。所述芯部被配置为使得所述中心腿在组装时在它们之间形成一个间隙608。

注射针602延伸到线轴和中心腿之间的区域中。例如，当上芯部安装在线轴上时，芯可以使线轴的某个区域未被覆盖，这样针可以在那个位置以及任何类似的进入位置到达线轴的内部。针被连接到密封材料的储存器610，使得该材料可通过重力流入线轴，和/或通过施加压力/吸入的方式被注射进线轴。

可以将密封材料尽可能按照期望地填充磁性组件内部的可用空间。例如，可以填充中心腿和线轴之间的间隙610，以及空隙608。在这种情况下，密封材料的流动可以通过一个或多个内部间隔件被引导。例如，密封件614可以防止密封剂从预定填充空间泄露。作为另一个例子，当使用一个或多个外部间隔件时，所述密封剂可以到达线轴和绕线(未示出)之间的空隙。在一些实现方式中，密封剂通过线轴主体内一个或多个开口达到这种线轴-绕组之间的空隙。在其他实现方式中，注射针602可被插入在提供进入绕组和线轴之间的空隙的另一位置。

图7示出了方法700的示例性流程图。在一些实现方式中，该方法可在制造磁性组件中执行。可以执行一个或多个附加或更少的步骤。作为另一示例，一个或多个步骤可以以不同的顺序来执行。

在702，接收线轴。例如，本文中所描述的任何一个线轴可以通过例如注塑工艺来制造。

在704，线轴被排列以选定匝数的电线。即，该步骤形成磁性组件的线轴上的绕组。

在706，可以以一种或多种方式测试该绕组。例如，可以测试绕组具有所制造组件的类型所需要的电属性。

在708，可以在线轴和/或芯的一部分上放置O形环或其他密封件。例如，O形环可以安装在芯的柱形中心部分上，而线轴可以具有一个相应的部分(例如，一个内部间隔件)，该相应的部分在组装线轴和芯部分时与O形环邻接。

在710，配套的芯部分可以放置在组件上。例如，这两个芯部分可以是E形或U形的，并可以放置为使得相对应的腿部相对于彼此定位。在一些实施方式中，芯被制造为使得在组装时相对的中心腿之间产生间隙。例如，该中心腿可以被加工成变短的长度。

在其他实现方式中，中心芯腿之间的间隙可以其他方式产生。例如，在712中，芯部分可以通过插入一个或多个垫片的方式被填隙以彼此远离一定距离。例如，这还可以提供其他芯腿(例如，左腿和右腿)之间的间隙，每个间隙具有其自身的边缘场。

在714，芯部彼此连接。例如，可以使用绝缘胶带或金属弹簧以在正确的位置保持芯部，从而保持在它们之间包围的线轴。

在716，该磁性部件可定向在选择用于密封剂注入的位置上。例如，组件可以直立起来(例如，类似于图6所示)，而密封剂可从其上方注入。作为另一个例子，该磁性组件可平躺，然后密封剂可以在基本水平方向上注入。

在718，可以插入注射针。例如，在需要时芯部可以提供进入线轴的途径。

在720，注入密封材料。材料的数量可基于多少可用空间应当被密封剂填充来选择。例如，该密封剂使热能从电磁组件(例如，芯和绕组)传送至散热器。

在722，可以将密封材料固化。例如，这可能需要在炉中加热，或仅仅要求充足的时间经过。

在724，线可以端接或焊接。例如，可以为磁性组件的电线提供合适的触头。

在726，一个或多个附加的塑料部件可被扣入或以其它方式附连到组件。这些部件可以方便将该磁性组件围在壳体中，和/或将该组件的特定侧更接近散热器。以上仅举几个例子。

在728，在该组装阶段中，一个或多个针可以被添加到线轴的暴露部分。例如，图3-4所示的针可以安装在线轴上。

以上仅以示例的方式描述了多个实施方式。尽管如此，以下权利要求还覆盖其他实施方式。

Claims (23)

1.一种传导式冷却的磁性组件，包括：

彼此互补的芯部，配置为使得至少在第一相对芯腿之间形成预定间隙且使得至少第二相对芯腿相互抵靠；

在所述预定间隙内的第一密封材料；

包围所述第一相对芯腿的线轴，其中所述第一密封材料与线轴接触所述线轴；以及

所述线轴上的绕组。

2.根据权利要求1所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述线轴在壁的内表面上具有一个或多个第一间隔件，所述第一间隔件配置用于使所述第一密封材料在所述内表面和所述第一相对芯腿之间流动，以及其中所述线轴在外表面上具有一个或多个第二间隔件，所述第二间隔件配置用于使第二密封材料在所述外表面和所述绕组之间流动。

3.根据权利要求2所述的传导式冷却的磁性组件，进一步包括用于所述第一密封材料的密封件，所述密封件放置在所述第一相对芯腿之一和所述线轴之间，其中所述第一间隔件是基本上线性的并错开排列以形成用于所述第一密封材料的开口。

4.根据权利要求2所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述第二间隔件呈弧形并错开排列在所述外表面上。

5.根据权利要求1所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述线轴包括由至少一个部件连接的内部和外部同心柱形壁。

6.根据权利要求5所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述柱形壁由基本上线性的部件连接。

7.根据权利要求5所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述部件在所述柱形壁之间呈波浪形。

8.根据权利要求1所述的传导式冷却的磁性组件，其中所述第一密封材料基本上填充所述预定间隙。

9.根据权利要求1所述的传导式冷却的磁性组件，进一步包括在所述内表面和所述第一相对芯腿之间的另一间隙，其中所述密封材料基本上填充所述另一间隙。

10.一种线轴，配置用于保持传导式冷却的磁性组件的绕组，所述线轴包括：

第一壁，包围所述传导式冷却的磁性组件的相对芯腿；以及

一个或多个第一间隔件，其位于所述第一壁的外表面上，所述第一间隔件配置用于使第一密封材料在所述外表面和所述绕组之间流动。

11.根据权利要求10的线轴，其中所述第一间隔件呈弧形并在所述第一壁的所述外表面上错开排列。

12.根据权利要求10的线轴，进一步包括一个或多个第二间隔件，其位于所述第一壁的内表面上，所述第二间隔件配置用于使第二密封材料在所述内表面和所述相对芯腿之间流动。

13.根据权利要求12的线轴，其中所述第二间隔件基本上是线性的并错开排列以形成用于所述第二密封材料的开口。

14.根据权利要求10的线轴，其中所述线轴包括由至少一个部件连接的内部和外部同心柱形壁。

15.根据权利要求14的线轴，其中所述柱形壁由基本线性的部件连接。

16.根据权利要求14的线轴，其中所述部件在所述柱形壁之间呈波浪形。

17.一种形成传导式冷却的磁性组件的方法，包括：

组装彼此互补的芯部，使得至少在第一相对芯腿之间形成预定间隙且使得至少第二相对芯腿相互抵靠；

通过线轴包围所述第一相对芯腿；以及

在所述预定间隙内提供第一密封材料，其中所述第一密封材料接触所述线轴，

其中在所述线轴上提供绕组。

18.根据权利要求17所述的方法，其中提供所述第一密封材料包括在所述线轴的一端注入所述第一密封材料。

19.根据权利要求18的方法，其中通过所述线轴包围所述第一相对芯腿产生在所述线轴的内表面和所述第一相对芯腿之间的另一间隙，所述方法还包括使用所述第一密封材料基本上填充所述另一间隙。

20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括针对在所述第一相对芯腿之一和所述线轴之间的所述第一密封材料提供密封件，其中所述线轴在内表面上具有一个或多个第一间隔件，其中所述第一间隔件是基本上线性的，且错开排列以形成用于所述第一密封材料的开口。

21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在向所述预定间隙内提供所述第一密封材料之前水平定位所述传导式冷却的磁性组件。

22.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一密封材料基本上填充所述预定间隙。

23.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在所述线轴的外表面和所述绕组之间提供第二密封材料。